As baterias de íon de lítio já percorreram um longo caminho desde seu lançamento no final da década de 1990. Eles são usados ​​em muitos dispositivos do dia a dia, como laptops, celulares, e dispositivos médicos, bem como plataformas automotivas e aeroespaciais, e outros. Contudo, O desempenho da bateria de íon de lítio ainda pode diminuir com o tempo, pode não carregar totalmente após muitos ciclos de carga / descarga, e pode descarregar rapidamente, mesmo quando ocioso. Pesquisadores da Universidade de Illinois aplicaram uma técnica usando tomografia de raios-X 3-D de um eletrodo para entender melhor o que está acontecendo no interior de uma bateria de íon de lítio e, finalmente, construir baterias com mais capacidade de armazenamento e vida útil mais longa.

Simplificando, quando uma bateria de lítio está sendo carregada, Os íons de lítio incorporam-se às partículas hospedeiras que residem no eletrodo do ânodo da bateria e são armazenados lá até serem necessários para produzir energia durante a descarga da bateria. O material de partícula hospedeira mais comumente usado em baterias comerciais de íon de lítio é o grafite. As partículas de grafite se expandem conforme os íons de lítio entram nelas durante o carregamento, e se contraem quando os íons saem deles durante a descarga.

"Sempre que uma bateria é carregada, os íons de lítio entram na grafite, fazendo com que ele se expanda em cerca de 10 por cento de tamanho, que coloca muito estresse nas partículas de grafite, "disse John Lambros, professor do Departamento de Engenharia Aeroespacial e diretor do Laboratório de Avaliação e Teste de Materiais Avançados (AMTEL) da U of I. "À medida que esse processo de expansão-contração continua com cada ciclo de carga-descarga sucessivo da bateria, as partículas hospedeiras começam a se fragmentar e perder sua capacidade de armazenar o lítio e também podem se separar da matriz circundante, levando à perda de condutividade.

"Se pudermos determinar como as partículas de grafite falham no interior do eletrodo, podemos suprimir esses problemas e aprender como estender a vida útil da bateria. Queríamos ver em um ânodo funcional como as partículas de grafite se expandem quando o lítio entra nelas. Você certamente pode deixar o processo acontecer e medir o quanto o eletrodo cresce para ver a deformação global - mas com os raios X podemos olhar dentro do eletrodo e obter medições locais internas de expansão à medida que a litiação progride. "

A equipe construiu inicialmente uma célula de lítio recarregável que era transparente aos raios-X. Contudo, quando eles fizeram o eletrodo funcional, além de partículas de grafite, eles adicionaram outro ingrediente à receita - partículas de zircônia.

"As partículas de zircônia são inertes à litiação; elas não absorvem ou armazenam íons de lítio, "Lambros disse." No entanto, para nosso experimento, as partículas de zircônia são indispensáveis:elas servem como marcadores que aparecem como pequenos pontos nos raios-X que podemos rastrear em varreduras subsequentes de raios-X para medir o quanto o eletrodo se deformou em cada ponto em seu interior. "

Lambros disse que as mudanças internas no volume são medidas usando uma rotina de Correlação de Volume Digital - um algoritmo em um código de computador que é usado para comparar as imagens de raios-X antes e depois da litiação.

O software foi criado há cerca de 10 anos por Mark Gates, um estudante de doutorado em ciência da computação da U of I co-orientado por Lambros e por Michael Heath, que está no Departamento de Ciência da Computação da U of I. Gates melhorou os esquemas DVC existentes, fazendo algumas alterações críticas no algoritmo. Em vez de apenas ser capaz de resolver problemas de muito pequena escala com uma quantidade limitada de dados, A versão de Gates incorpora cálculos paralelos que executam diferentes partes do programa ao mesmo tempo e podem produzir resultados em um curto espaço de tempo, em um grande número de pontos de medição.

"Nosso código é executado muito mais rápido e, em vez de apenas alguns pontos de dados, nos permite obter cerca de 150, 000 pontos de dados, ou locais de medição, dentro do eletrodo, "Lambros disse." Também nos dá uma resolução extremamente alta e alta fidelidade. "

Lambros disse que provavelmente há apenas um punhado de grupos de pesquisa em todo o mundo que usam essa técnica.

"Programas de correlação de volume digital agora estão disponíveis comercialmente, então eles podem se tornar mais comuns, "ele disse." Nós temos usado essa técnica por uma década agora, mas a novidade deste estudo é que aplicamos esta técnica que permite a medição 3-D interna de deformação para eletrodos de bateria em funcionamento para quantificar sua degradação interna. "

O papel, "Three-Dimensional Study of Graphite-Composite Electrode Chemo-Mechanical Response using Digital Volume Correlation, " was co-authored by Joseph F. Gonzalez, Dimitrios A. Antartis, Manue Martinez, Shen J. Dillon, Ioannis Chasiotis, and John Lambros. O artigo é publicado em Experimental Mechanics .